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一、背景 

隨著科技的不斷發展，材料科學領域的研究日益深入。其中，空心球材料因其獨特的結構和性能，在多個領域展現出了廣闊的應用前景。空心球材料的力學特性與其內部結構和組成密切相關。元能科技IEST的SPFT（單顆粒力學性能測試）設備，可以深入了解空心球材料在被壓縮時的力學響應，包括顆粒的壓潰力、脆性特征、內部微結構等信息，為材料的進一步優化和應用提供科學依據。

二、測試設備與方法 

SPFT設備能夠高精度地控制位移和測量壓力，從而精確采集壓頭加載到單個顆粒上的壓力-位移曲線。另外，SPFT采用底部光學系統成像的方式，測試軟件中可同步記錄顆粒被壓縮、變形、壓潰的整個畫面。這一設備特別適用于評估材料顆粒層級的耐壓性和壓潰力，對于理解微米級空心球在壓縮過程中的行為至關重要。

圖1.  (左) SPFT設備；(右) 光學系統底視圖

本文分別選取2款稀土氧化物空心球（XT-1和XT-2）和2款粉煤灰空心球（FM-1和FM-2）進行測試。測試過程遵循嚴格的標準化步驟：首先，通過乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學顯微鏡定位單個分散顆粒；接著，配置實驗參數并執行壓縮測試；測試過程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態變化。每個樣品通常測試5個以上的顆粒，以確保數據的可靠性和統計意義。

三、結果分析 

1、單顆粒壓縮曲線和動圖展示

圖2. 兩款不同XT空心球的單顆粒壓縮曲線

圖3. 兩款不同FM空心球的單顆粒壓縮曲線

圖4. XT空心球（左）和FM空心球（右）的單顆粒壓縮過程動圖（節選）

2、壓潰力和抗壓強度對比

通過結果可以看出，每個樣品平行測試10-15次的曲線一致性都比較好。所測試的2款XT空心球的單顆粒整體壓潰力都遠大于另2款FM空心球。由于組成相近、粒徑相近，不同款式的XT空心球/FM空心球-1/-2之間倒是差異不大。

根據GB/T 43091-2023關于粉末抗壓強度測試方法的國家標準，可通過單顆粒的壓潰力和顆粒粒徑計算顆粒的抗壓強度，平均值的結果如表1所示。2款XT空心球的抗壓強度比2款FM空心球約高一倍左右，XT-1比XT-2抗壓強度略大一些。這可能是由于稀土材料本身具有較高的強度和硬度，使得其在受到外力作用時能夠更好地抵抗形變和破壞。從圖4的動圖也可以看出XT空心球破碎時相對較硬質，而FM空心球顯得相對松軟。

表1. 不同XT空心球、FM空心球的單顆粒抗壓強度

3、力-位移曲線的波浪形特征

在單顆粒壓縮曲線上，還能看到空心球壓潰后特殊的力-位移曲線特征，它們的力-位移曲線在壓潰后均呈現出波折的形態，類似于波浪形狀。這種波折可能是由于空心球內部結構的復雜性以及壓潰過程中裂紋的擴展和交匯所導致的。具體來說，在壓縮初期，隨著壓頭的逐漸下壓，顆粒開始發生彈性形變。當應力達到一定程度時，顆粒開始出現裂紋并發生塑性形變。隨著裂紋的擴展和交匯，顆粒逐漸破碎，力-位移曲線也隨之出現波折。

波折現象的產生原因：1）多裂紋擴展與交匯：由于裂紋的擴展速度和方向不同，因此會產生不同的應力集中區域，從而導致力-位移曲線出現波折；2）碎片間的相互作用：當空心球被壓潰成多個碎片時，這些碎片之間會相互擠壓和摩擦。這種相互作用會導致力-位移曲線在下降過程中產生波動；3）材料內部的不均勻性：空心球顆粒的內部可能存在不均勻性，如氣孔、夾雜物等。這些不均勻性在受到外力作用時會導致應力集中和局部破壞，從而進一步加劇力-位移曲線的波折現象。這種波折形態不僅反映了顆粒內部的微觀結構特征，還揭示了其在受到外力作用時的力學響應機制。

四、小結

本文通過對比稀土氧化物空心球和粉煤灰空心球的力-位移曲線和抗壓強度數據，可以評估這兩種材料的力學性能。所測試的2款稀土氧化物空心球和2款粉煤灰空心球曲線的一致性都比較好，稀土氧化物空心球整體的壓潰力和抗壓強度水平較高一些。

此外，力-位移曲線的波折形態也為我們提供了關于材料內部結構和力學響應機制的寶貴信息。通過分析這些波折特征，我們可以更深入地了解材料的破壞機制和失效模式，從而為其在實際應用中的性能優化和改進提供理論依據。

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